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Kernschutzfunktionen eines PV-Schutzschalters
Schutz vor Überstrom und Kurzschluss durch thermomagnetisches Auslösen
Ein PV-Schutzschalter verfügt über ein thermomagnetisches Doppelsystem, das sowohl auf langfristige Überlastungen als auch auf kurzfristige plötzliche Störungen reagieren kann. Beispielsweise löst der thermische Teil des Schalters bei zu langer Stromüberlastung – etwa wenn ein Modul durch zu intensive Sonneneinstrahlung belastet wird – den Stromkreis aus, indem er eine Metallstreife verbiegt und dadurch unterbricht. Der magnetische Teil des Schalters hingegen reagiert bei einer Störung, sobald der Strom die für das System vorgesehenen Nennwerte überschreitet; in diesem Fall liegt der Strom um das Dreifache über dem zulässigen Wert. Die Magnetwicklung zieht dann an und öffnet die Kontakte des Stromkreises so schnell, dass keine fehlerhaften Ströme unsicher durch eine Störstelle fließen können. Diese schnelle Reaktion verhindert Beschädigungen der Isolierung, Überhitzung sowie Brandentstehung in der Nähe brennbarer Materialien (einschließlich PV-Kabeln). Ein wesentliches Merkmal des Schalters ist, dass er sich von Sicherungen unterscheidet, da er wiedereinschaltbar ist: Das bedeutet, dass der Schalter nach Auslösung erneut aktiviert und betriebsbereit gemacht werden kann, wodurch bei dieser Art von PV-Anlagen die Ausfallzeiten des Systems reduziert werden. In dieser Hinsicht sind PV-Schutzschalter besonders vorteilhaft für großflächige kommerzielle PV-Kraftwerke, bei denen die Betriebszeit des Systems von entscheidender Bedeutung ist.
Unterbrechung von Gleichstromfehlerströmen: Die Risiken der Verwendung standardmäßiger Wechselstrom-Leistungsschalter in Photovoltaikanlagen
Standard-Wechselstrom-Leistungsschalter sind bei Photovoltaikanwendungen nicht wirksam, da sie Gleichstrombögen nicht effektiv löschen können. Wechselstrom kehrt naturgemäß 100 bis 120 Mal pro Sekunde wieder auf Null zurück, wodurch ein Lichtbogen erlischt. Bei Gleichstromsystemen gibt es derartige Nulldurchgänge nicht; Lichtbögen löschen sich daher nicht von selbst. Tatsächlich zeigen Studien, dass Standard-Wechselstrom-Leistungsschalter hinsichtlich der Wiederzündung von Spitzenlichtbögen sogar schlechter abschneiden als speziell für Gleichstrom ausgelegte Leistungsschalter: mit einer Wiederzündungsrate von 78 %. Geschlossene Lichtbögen können Temperaturen von bis zu 6.000 °F erreichen – heiß genug, um Kupfer-Sammelschienen zum Schmelzen zu bringen. Daher sind Standard-Wechselstrom-Leistungsschalter für Solaranwendungen unzureichend; stattdessen werden speziell für Gleichstrom konzipierte Leistungsschalter benötigt, beispielsweise solche mit Lichtbogenkammern. Lichtbogenkammern sind so konstruiert, dass ein Lichtbogen nicht nur durch das Prinzip der elektromagnetischen Abstoßung gelöscht wird, sondern auch so gestreckt wird, dass er abkühlt, bevor er erneut zündet. Dies ist eine zwingende Voraussetzung, um die Investition in Großprojekten im Bereich der Versorgungsnetze mit Spannungen von 600 bis 1500 Volt zu schützen.
Gleichstrom-Bogenunterdrückung: Wie das Problem der Null-Durchgänge in PV-Schaltungen behoben werden kann
Wie PV-Leistungsschalter das Lichtbogenrisiko mindern
Da die Gleichspannung keinen natürlichen Nulldurchgang aufweist, führen bei einer Störung auftretende Gleichspannungen zu ununterbrochenen Lichtbögen; in 80 % der Fälle sind die Lichtbögen ununterbrochen (NREL 2023). Die Lichtbögen können Leiter auf über 3000 °C erhitzen und stellen dadurch eine erhebliche Brandgefahr dar. Um dies zu verhindern, enthalten PV-Leistungsschalter Komponenten namens magnetische Lichtbogenkammern, die ein kontrolliertes Magnetfeld erzeugen, um einen Lichtbogen zu erfassen, zu dehnen und abzukühlen. Die Wirksamkeit einer magnetischen Lichtbogenkammer hängt von ihrer Fähigkeit ab, den Lichtbogen in kleinere Segmente zu unterteilen und innerhalb weniger Millisekunden zu löschen. Dadurch wird ein Schutz vor thermischem Durchgehen sowie Betriebssicherheit in Hochspannungs-Gleichstrom-Anwendungen gewährleistet.
Das Geheimnis rund um Hochspannungs-Gleichstrom-(DC-)Systeme und Leistungsschalter
Mit steigender Gleichspannung (DC) im System steigt auch die Effizienz von Photovoltaik-(PV-)Anlagen; gleichzeitig nimmt jedoch auch die mit Lichtbögen verbundene Energie zu, die bei Störungen auftreten können. Beispielsweise können 1500-V-DC-Systeme bis zu 15-mal mehr Lichtbogenenergie erzeugen als 400-V-DC-Systeme. Dies stellt uns vor eine besondere Herausforderung: Je höher die Effizienz, desto schneller muss ein Fehler abgeschaltet werden – und desto robuster müssen die eingesetzten Systeme sein. Moderne PV-Leistungsschalter sind mittlerweile in der Lage, diese Probleme zu mindern; mehrere neue Funktionen im Zusammenhang mit der UL-2024-Konformität, auf die wir nun eingehen werden, haben diese neu konzipierte PV-Leistungsschaltertechnologie ermöglicht.
Ultra-schnelle Auslösezeiten (3 ms oder weniger) sowie zugehörige Lichtbogenlöschmaßnahmen (Lufträume zwischen den Schaltkontakten und mehrstufige Lichtbogenkammern sind so ausgelegt, dass sie die Löschung von Lichtbögen beim Unterbrechen eines Stromkreises verbessern).
Die Auslöseparameter der Leistungsschalter hinsichtlich Gleichspannung und Löschfähigkeit von Lichtbögen wurden ebenfalls an die im System verwendete Spannung angepasst.
Schutzfunktion 400-V-Systeme 1500-V-Systeme Kritischer Unterschied
Auslösegeschwindigkeit 10 ms ≤3 ms 70 % schnellere Reaktion
Lichtbogenkammer-Unterteilungen 8 bis 10 15 bis 20 100 % mehr Unterteilungen
Kontaktöffnung 10 mm 25 mm 150 % größere Öffnung
Diese Konstruktionsmerkmale reduzieren oder beseitigen weitgehend das sogenannte „durchgehende Lichtbogenbrennen“ – einen Fehlerzustand in Hochspannungssystemen, bei dem auch nach Auslösung des Leistungsschalters ein andauernder, schädlicher Lichtbogen entstehen kann. Damit wird zudem klar, warum herkömmliche Wechselstrom-Leistungsschalter in Hochspannungs-PV-Systemen nicht eingesetzt werden dürfen.
Sicherheit auf Stringebene: So vermeiden Sie Rückwärtsströme und Brände in parallelen PV-Anlagen
Die Gefahr durch Rückwärtsstrom bei Verschattung und Modulausfall sowie die Steuerung von Kettenfehlern mithilfe von PV-Leistungsschaltern.
Wenn bei Solarpanelen Verschattung auftritt oder bei *parallelen* Installationen Modulausfälle auftreten, treten bestimmte unerwartete elektrische Phänomene auf. Betrachtet man eine betroffene String-Leitung: Sie verhält sich plötzlich anders als die übrigen. Sie entzieht im Wesentlichen Energie, anstatt sie zu erzeugen. Die Folge dieses Verhaltens ist äußerst besorgniserregend: Die rückwärts fließende Energie verursacht sogenannte *Hot Spots*. Dies ist eines der gefährlichsten Phänomene in Photovoltaik-Anlagen und bekannt dafür, eine Selbstzündung der Isoliermaterialien auf der betroffenen String-Leitung hervorzurufen. Wird ein einzelner Fehler in einer Gruppe von Strings nicht behoben, können daraus Kettenreaktionen mit Fehlfunktionen im gesamten String resultieren. Ein solches Verhalten ist in der Fachliteratur gut dokumentiert. Die letztes Jahr veröffentlichte Studie des NREL belegt, dass die Kosten für die Folgen unbehandelter Fehler in PV-Panel-Strings bis zu dreimal höher sein können als die Kosten der Fehler selbst. Diese Studie verdeutlicht eindrucksvoll, wie rasch die Situation außer Kontrolle geraten kann.
PV-Schutzschalter erkennen Probleme und verhindern deren Ausbreitung, indem sie die Stromrichtung identifizieren. Überschreitet der Rückstrom 10 % der Nennleistung des Strings, aktivieren sich eigens entwickelte, integrierte magnetische Sensoren innerhalb von Millisekunden und trennen die Stromversorgung des fehlerhaften Abschnitts ab, während der Rest des Systems intakt bleibt. Darüber hinaus verfügen diese Schalter über spezielle modulare Konstruktionen, die den Lichtbogen unterbrechen und außerhalb des Schalters enthalten, wodurch die Entstehung des gefährlichen Gleichstromplasmas verhindert wird, das einen Brand auslösen kann. Indem Probleme auf einen einzigen String begrenzt werden, tragen diese Geräte dazu bei, kostspielige Schäden an der Ausrüstung bei Solaranlagen zu vermeiden, den sicheren Betrieb aufrechtzuerhalten und – vor allem – die Ausbreitung von Bränden in großflächigen Solaranlagen zu verhindern.
Integrierte Bodenfehlererkennung und NEC-konforme PV-Schaltkreislaufbrecher enthalten Bodenfehlererkennungssysteme, die dazu beitragen, das Personal vor gefährlichen Leckströmen zu schützen, die zu einem Elektroschock und Brand führen können. Die Vorrichtungen überwachen die inneren Leiter kontinuierlich und trennen den Stromkreis, wenn der Bodenfehlerstrom den in NEC-Artikel 690 definierten Schwellenwert von 6 mA überschreitet. Diese Brecher sind in der Lage, Gleichstrom-Bodenfehler zu erkennen und zu trennen, die gefährlicher sind als andere Arten von Bodenfehlern. Bodenfehler treten auf, wenn Feuchtigkeit in das System eindringt oder wenn die Isolierung des Systems versagt und sich Bodenfehler entwickeln. Die meisten Haushalts-Wechselstromschalter können aufgrund der geringeren Empfindlichkeit und des Schaltmechanismus, der eine DC-Fehlerstrom-Schaltung unterbricht, keine Erdungsfehler erkennen. Die Empfindlichkeit und die Unterbrechungsfähigkeit müssen den Anforderungen der NEC-Regelung 2020 und insbesondere Abschnitt 690.41 (b) entsprechen. Die neuen Photovoltaik-Schaltanlagen übertreffen die oben genannten Anforderungen durch eine Kombination aus Echtzeit-Fehlererkennung und dem richtigen Typ einer Gleichstrommagnetvorrichtung. Diese Kombination und die integrierte Erdungsschaltung des Equipment Grounding Conductor (EGC) mit niedriger Impedanz sorgen für eine hohe Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit bei der Fehlerbeseitigung in den zahlreichen Solaranlagen in ganz Nordamerika. FAQ Was unterscheidet einen PV-Schaltbetriebsbrenner von einem normalen Schaltbetriebsbrenner? Im Gegensatz zu herkömmlichen Wechselstromschaltern, die keinen Schutz vor dauerhaften Gleichstrombögen bieten und daher Brand und Schäden verursachen können, bieten Photovoltaik-Schalter Schutz vor dauerhaften Gleichstrombögen und können daher in Photovoltaikanlagen erfolgreich arbeiten.
Welche Schutzfunktion erfüllen magnetische Lichtbogenkammern?
Magnetische Lichtbogenkammern sind entscheidend für das Unterbrechen und Kühlen anhaltender Gleichstromlichtbögen sowie zur Vermeidung einer thermischen Durchgehung. Sie gewährleisten Sicherheit und Zuverlässigkeit von PV-Anlagen, selbst bei hohen Spannungen wie 1500 V.
Was bedeuten höhere Gleichspannungssysteme?
Höhere Gleichspannungssysteme bedeuten eine höhere Effizienz, aber auch eine höhere Lichtbogenenergie. Dies erfordert schnellere Auslösecharakteristiken und stärkere Löschmaßnahmen, um Schäden zu minimieren und die Sicherheit aufrechtzuerhalten.
Welche Funktion erfüllen PV-Leistungsschalter bezüglich Rückwärtsströme?
PV-Leistungsschalter erkennen einen Rückwärtsstrom und öffnen mittels magnetischer Sensoren ausschließlich den betroffenen Abschnitt des Stromkreises, wodurch eine Kettenreaktion und Brände verhindert werden.
Wie erfüllen diese Leistungsschalter die NEC-Normen?
Um die NEC-Normen zu erfüllen, sind PV-Leistungsschalter mit Fehlerstromschutzeinrichtungen (RCDs) für Gleichstrom ausgelegt, die Gleichstromfehler und Leckströme steuern und erkennen, um elektrischen Schlag und Brände zu verhindern.